ПЛОСКАЯ ЛИНЗА ИЗ ЛЕЙКОСАПФИРА С ФОКУСОМ НЕОБЫКНОВЕННЫХ ЛУЧЕЙ Российский патент 2015 года по МПК G02B1/02 G02B1/08 

Изобретение относится к технологии линз для оптических систем современных оптических и оптоэлектронных приборов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и ИК областях спектров, и может быть использовано при получении плоских линз из лейкосапфира для необыкновенного луча.

Плоские линзы из лейкосапфира для необыкновенных лучей с улучшенными оптическими, прочностными и конструкционными характеристиками имеют соответствующее применение, связанное, в частности, с преобразованием монохромного света в поляризованные сфокусированные в точке на оси симметрии детали лучи, а также с защитой высокоточных оптико-электронных систем приборов нового поколения. Отличительной особенностью линз является тот факт, что она работает как собирательная линза с заданным фокусным расстоянием только для необыкновенных лучей, при этом, не отклоняя обыкновенные лучи, при нормальном падении лучей на линзу.

Известен способ получения оптических линз из монокристаллов, включающий изготовление вогнуто-выпуклых заготовок путем пластической деформации изгиба плоскопараллельных пластинок из Z-среза кристаллов Al₂O₃ пуансоном с заданным профилем рабочей поверхности и последующего формирования входящей поверхности линзы с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала, причем пластическую деформацию изгиба осуществляют пуансоном, поверхность которого является поверхностью вращения с профилем, описываемым уравнением параболы y^c=ах+b, где «с» - характеризует показатель преломления, «а» и «b» - характеристики линзы, далее входящую поверхность линзы формируют с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как полусферическую, радиусом R до заданной толщины, обеспечивающей после преломления прохождение лучей вдоль оптических осей, при этом оптическую ось линзы ориентируют по оси симметрии заготовки.

Указанный способ не позволяет получать линзу с фокусом только необыкновенных лучей из лейкосапфира (См. патент РФ №2377614, опубликованный 27.12.2009 по индексу МПК G02B 1/02, B29D 11/00).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения плоской линзы из лейкосапфира, включающий изготовление вогнуто-выпуклой заготовки путем пластической деформации изгиба плоскопараллельной пластинки из Z-среза кристалла, отличающийся тем, что линзу формируют с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как плоскопараллельную пластинку, перпендикулярную оси симметрии заготовки, совмещенной с осью конуса оптических осей, заданной толщины, при этом входящая поверхность плоской линзы расположена на расстоянии х<δ от вершины заготовки, где δ - толщина заготовки (См. патент РФ №2482522, опубликованный 20.05.2013 по индексу МПК G02B 1/02).

Данным способом получают плоские линзы из лейкосапфира для параллельного пучка света, прозрачные в области 25000-2000 см^-1. Однако указанный способ не позволяет получать плоскую линзу с фокусом необыкновенных лучей.

Задачей предлагаемого технического решения является создание плоской линзы из лейкосапфира с фокусом необыкновенных лучей для параллельного пучка света, направленного перпендикулярно входящей поверхности детали, прозрачной в области спектра 25000-2000 см^-1.

Плоская линза из лейкосапфира с фокусом необыкновенных лучей, изготовленная из заготовки, полученной путем высокотемпературной пластической деформации пластинки из Z-среза кристалла Al₂O₃, ось симметрии которой совпадает с направлением оси симметрии пуансона, имеющего рабочую поверхность в сечении, описываемую полиномом четвертой степени y=Σ_Kа_kx^k, где y, х - координаты сечения с центром на оси симметрии, а_k - коэффициенты, характеризующие фокусное расстояние и толщину линзы, k=1…4, входящая и выходящие поверхности линзы являются плоскостями, перпендикулярными оси симметрии заготовки и линзы, причем выходящая поверхность плоской линзы и заготовка имеют общую точку на оси симметрии линзы, а входящая поверхность определяется требуемой толщиной линзы.

Получение плоской линзы из лейкосапфира с фокусом необыкновенных лучей позволяет обеспечить уникальные свойства пластически деформированного кристалла, в которой при падении параллельного пучка лучей, направленных перпендикулярно поверхности линзы, после преломления на входящей поверхности линзы необыкновенные лучи распространяются под углом к оси симметрии линзы и преломляются на второй поверхности линзы в фокусе, находящемся на оси симметрии детали, т.е. она работает как собирательная линза с заданным фокусным расстоянием только для необыкновенных лучей, при этом не отклоняя обыкновенные лучи, что обусловлено необходимым изменением оптической индикатрисы кристалла и характеристиками детали.

На чертеже представлена схема получения плоской линзы из лейкосапфира, где 1 - заготовка полученной высокотемпературной пластической деформацией пластинки из Z-среза кристалла, в которой Z - оптическая ось кристалла, развернутая относительно оси симметрии на заданный угол для каждой точки поверхности; 2 - плоская линза с фокусом необыкновенных лучей; 3 и 4 - входящая и выходящая поверхности линзы соответственно.

Конкретный пример получения плоской линзы из лейкосапфира с фокусом необыкновенных лучей

Из кристалла лейкосапфира изготавливают заготовку 1, полученную путем пластической деформации изгиба плоско-параллельной пластины толщиной 6,1 мм из Z-среза лейкосапфира пуансоном, имеющим в сечении рабочую поверхность, описываемую полиномом четвертого порядка

y=-0,0050х⁴+0,0630х³-0,0435х²+0,0050х, что обеспечивает необходимый разворот оптических осей кристалла относительно оси симметрии. Заготовку с «асферической» внутренней поверхностью обрабатывают путем удаления избыточного материала методом шлифовки и полировки до получения пластины, перпендикулярно оси симметрии заготовки, причем выходящая поверхность 4 плоской линзы и заготовка имеют общую точку на оси симметрии линзы 2, а входящая поверхность 3 определяется толщиной, равной 4,3 мм.

Полученная плоская линза является линзой с фокусом, равным 11713,65 мм для необыкновенных лучей при падении на поверхность лучей, направленных перпендикулярно поверхности детали.

Обыкновенные лучи распространяются в плоской линзе, при нормальном падении лучей на деталь, не преломляясь.

Плоская линза из лейкосапфира с фокусом необыкновенных лучей изготовлена из заготовки, полученной путем высокотемпературной пластической деформации пластинки из Z-среза кристалла Al₂O₃, ось симметрии которой совпадает с направлением оси симметрии пуансона, имеющего рабочую поверхность в сечении, описываемую полиномом четвертой степени y=Σ_Kа_kx^k, где y, х - координаты сечения с центром на оси симметрии, а_k - коэффициенты, характеризующие фокусное расстояние и толщину линзы, при k=1…4. Входящая и выходящие поверхности плоской линзы являются плоскостями, перпендикулярными оси симметрии заготовки и линзы. Выходящая поверхность плоской линзы и заготовка имеют общую точку на оси симметрии линзы. Входящая поверхность определяется требуемой толщиной плоской линзы. Технический результат - создание плоской линзы из лейкосапфира с фокусом необыкновенных лучей для параллельного пучка света, направленного перпендикулярно входящей поверхности детали, прозрачной в области спектра 25000-2000 см^-1. 1 ил.

Плоская линза из лейкосапфира с фокусом необыкновенных лучей, изготовленная из заготовки, полученной путем высокотемпературной пластической деформации пластинки из Z-среза кристалла Al₂O₃, ось симметрии которой совпадает с направлением оси симметрии пуансона, имеющего рабочую поверхность в сечении, описываемую полиномом четвертой степени y=Σ_Kа_kx^k, где y, х - координаты сечения с центром на оси симметрии, а_k - коэффициенты, характеризующие фокусное расстояние и толщину линзы, при k=1…4, входящая и выходящие поверхности плоской линзы являются плоскостями, перпендикулярными оси симметрии заготовки и линзы, причем выходящая поверхность плоской линзы и заготовка имеют общую точку на оси симметрии линзы, а входящая поверхность определяется требуемой толщиной плоской линзы.